電動(dòng)汽車電池技術(shù)為可持續(xù)發(fā)展的未來注入動(dòng)力

作者：ADI公司

? ? ? ? ?隨著電動(dòng)汽車電池技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，我們很容易想象未來世界的交通：無論是私家車和SUV，還是卡車行業(yè)，都靠電池運(yùn)行。碳排放量將大大減少。但這僅僅是開始。電動(dòng)汽車（EV）的舊電池如果加以再利用，將有望以更深刻的方式改變世界——把小型離網(wǎng)電源帶到世界的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)的醫(yī)療、教育和經(jīng)濟(jì)發(fā)展取決于能否獲得廉價(jià)的再生能源。

雖然美好未來的基礎(chǔ)工作已在奠定之中，但電池制造商仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——從降低電動(dòng)汽車電池的高成本（使電動(dòng)汽車能與內(nèi)燃機(jī)汽車競爭），到制造可再利用和可回收的電池（這樣當(dāng)電池不再能用于電動(dòng)汽車時(shí)，還能在其他用途上創(chuàng)造價(jià)值）。

那么，如何才能讓基于電池動(dòng)力的未來成為現(xiàn)實(shí)呢？答案不僅取決于消費(fèi)者、決策者和電力公司的支持，還取決于能否建立合適的合作伙伴關(guān)系并進(jìn)行正確的投資。

引領(lǐng)變革

電動(dòng)汽車的潛力令人振奮，尤其是在環(huán)境影響方面。越來越多的企業(yè)將可持續(xù)發(fā)展作為重中之重。研究表明，注重生態(tài)的做法可以轉(zhuǎn)化為銷售的增長。電動(dòng)汽車領(lǐng)域也是如此。2017年，全球電動(dòng)汽車銷量突破100萬輛大關(guān)，緊接著在2018年，銷量突破200萬輛大關(guān)（210萬輛），增長了65%。但在2019年，受全球汽車銷量整體下滑的影響，銷量僅增長9%（為230萬輛）。盡管如此，預(yù)計(jì)到2030年，電動(dòng)汽車的需求將增長十倍。全球幾乎每個(gè)地區(qū)都推出了更新的電動(dòng)汽車普及激勵(lì)措施，且所有大型OEM都在著手實(shí)現(xiàn)車系的電氣化。全球都在加大對電氣化的投入。

但是，電動(dòng)汽車行業(yè)仍然存在一個(gè)價(jià)格比較問題。預(yù)計(jì)到2030年，電動(dòng)汽車電池的成本將持續(xù)下降，但占電動(dòng)汽車成本三分之一以上的電池成本仍然是電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)與汽油動(dòng)力汽車價(jià)格持平的主要障礙之一。

一種潛在的解決方案是采用高度精確且安全的電池管理系統(tǒng)（BMS），該系統(tǒng)可幫助汽車制造商和零件制造商彌合當(dāng)今的高成本電池與明天的更便宜電池之間的差距。

ADI公司汽車業(yè)務(wù)副總裁兼總經(jīng)理Patrick Morgan表示：“從消費(fèi)者角度看，存在幾個(gè)重大問題。更大的電池可以實(shí)現(xiàn)更長的行駛距離。問題是這會(huì)增加成本和重量。為了解決該問題，我們的方法是為電池管理系統(tǒng)制造極其高效且精確的電子器件，讓汽車可以從任何特定電池包中獲取最多可用能量?！?/p>

對于已經(jīng)開始重資進(jìn)行電氣化的卡車等行業(yè)，這種效率更為關(guān)鍵。McKinsey的一項(xiàng)研究表明，如果電池能夠滿足需求，那么到2030年，多達(dá)20%的中型卡車將是電動(dòng)卡車。加州大學(xué)伯克利分校交通可持續(xù)發(fā)展研究中心聯(lián)席負(fù)責(zé)人Susan Shaheen表示：“電動(dòng)車輛可能需要額外的停工時(shí)間以便充電，這會(huì)對業(yè)務(wù)績效產(chǎn)生不利影響，因?yàn)殡妱?dòng)車輛處于無收入狀態(tài)的時(shí)間要長于汽油驅(qū)動(dòng)的車輛?！?/p>

圖1. 2030年電動(dòng)汽車在整體汽車銷量中的占比預(yù)計(jì)將達(dá)到約20%至25%

效率始于精整階段

電動(dòng)汽車電池技術(shù)和電池制造與管理方面的最新創(chuàng)新可能會(huì)徹底改變商業(yè)和消費(fèi)場景。電池的生產(chǎn)和精整階段——電池化成和測試——對于確保產(chǎn)線效率至關(guān)重要。電池化成的全部目的就是確保所制造的電池單元在整個(gè)生命周期中擁有最大容量和最高可靠性。對于電池制造商和儀器供應(yīng)商而言，提高電動(dòng)汽車生產(chǎn)的規(guī)模和效率是把握電動(dòng)汽車市場機(jī)遇的關(guān)鍵。

“我們銷售的產(chǎn)品觸及電池整個(gè)生命周期的各個(gè)階段——從化成到運(yùn)行，再到梯次利用。在化成過程中，我們的產(chǎn)品控制著生長電池單元的精密設(shè)備。電池單元誕生的這一階段對于確定可用壽命至關(guān)重要。”Morgan解釋說。

改善電池工作條件

與油箱等單個(gè)儲(chǔ)能元件不同，電動(dòng)汽車的電池組由數(shù)百或數(shù)千個(gè)協(xié)同工作的電芯組成。當(dāng)電源流入或流出電池組時(shí)，必須以有保證的精度對電池進(jìn)行精密管理，以確保即使在最惡劣的條件下，包括極端溫度和帶有電磁噪聲的環(huán)境中，電池也能在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)提供較大的可用容量。除此之外，為了確保安全性，電子產(chǎn)品必須從一開始就精心設(shè)計(jì)，以完全符合全球所有嚴(yán)格且不斷演變的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。這些標(biāo)準(zhǔn)并不僅限于ASIL-D標(biāo)準(zhǔn)，還需要開發(fā)創(chuàng)新的電池功能性架構(gòu)。

由此出發(fā)，ADI公司的電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)不斷測量每個(gè)電池單元的電壓，這不僅對電池續(xù)航能力和性能有利，而且還能保證較大安全性。高度準(zhǔn)確的充電狀態(tài)測量使汽車制造商和零件制造商能夠安全地輸出最大功率。Morgan表示：“我們的產(chǎn)品可保證在汽車的整個(gè)生命周期中提供極高的精度，讓電池較大程度地快速安全充電和放電，并讓每次充電可實(shí)現(xiàn)的車輛續(xù)航里程較大化?！?/p>

更好的電池

改善電池續(xù)航里程和性能是全面采用電動(dòng)汽車的關(guān)鍵所在。更智能、更精確的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)在幫助汽車制造商和零件制造商讓電池支持更長行駛里程。

圖2. 電動(dòng)汽車電池的續(xù)航里程增加

隨著BMS性能不斷提高，電池將能更好地支持電動(dòng)汽車行駛里程的延長和自動(dòng)駕駛汽車的傳感器。

無線束設(shè)計(jì)消解系統(tǒng)復(fù)雜性

新的無線電池管理系統(tǒng)給行業(yè)帶來顛覆性的變化。ADI公司最近開發(fā)的無線電池管理系統(tǒng)（WBMS）以有線BMS的現(xiàn)有組件為基礎(chǔ)構(gòu)建，無需再使用線束將電芯連接在一起，可以節(jié)省工程設(shè)計(jì)和開發(fā)成本，并消除相關(guān)的機(jī)械性挑戰(zhàn)和線束帶來的復(fù)雜性。它還使得電池包設(shè)計(jì)具有高度模塊化和可伸縮特性，因此可以反復(fù)用在不同車型的設(shè)計(jì)中。此外，由于每個(gè)電池模塊都是無線的，因此可以在從電池化成開始，到存儲(chǔ)和組裝，再到在汽車中使用這整個(gè)過程中收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)計(jì)算，給出電池組的剩余電量。此舉降低了電池的成本，且使電池梯次利用（或二手利用）更加有效，例如用在儲(chǔ)能、回收或其他應(yīng)用中，從而降低制造商和車主的總成本，并限制對環(huán)境的影響。

換車：電池梯次利用

電動(dòng)汽車的廣泛采用將對環(huán)境產(chǎn)生重大影響。根據(jù)ADI公司的數(shù)據(jù)，在2019年，裝備了該公司BMS技術(shù)的車輛因?yàn)椴捎昧顺茈姵匦阅軠y量且行駛時(shí)不需要內(nèi)燃機(jī)，每年減少了約7500萬噸二氧化碳排放，這相當(dāng)于8000萬英畝成熟森林的碳吸收能力。

不過，電動(dòng)汽車電池技術(shù)還有更多利好：電池梯次利用。電動(dòng)汽車的電池只要在整個(gè)生命周期中管理得當(dāng)，則耗損并不意味著報(bào)廢。拆下電動(dòng)汽車電池以在儲(chǔ)能解決方案中再利用，可能是向離網(wǎng)社區(qū)供電的一個(gè)關(guān)鍵因素。考慮到9.4億人（占世界人口的13%）沒有電力供應(yīng)，還有30億人（占世界人口的40%）沒有清潔的烹飪?nèi)剂?，不難想象對微型和離網(wǎng)電源解決方案的需求是多么巨大1。

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電力供應(yīng)將帶來許多改變生活的多米諾骨牌效應(yīng)。消除不安全烹飪?nèi)剂系氖褂每筛纳剖覂?nèi)空氣質(zhì)量，從而改善健康狀況。電力可以為照明設(shè)備供電，讓孩子們在天黑后可以學(xué)習(xí)。供應(yīng)清潔水和凈化廢水的設(shè)備也能運(yùn)轉(zhuǎn)。通過互聯(lián)網(wǎng)接入進(jìn)行數(shù)字通信成為可能。因此，電池梯次利用有可能激發(fā)人們曾經(jīng)認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展收益。

這使得ADI公司給電池管理系統(tǒng)帶來的精度成為汽車制造商的一個(gè)更重要考慮因素，而二次應(yīng)用的所有者（例如儲(chǔ)能系統(tǒng)制造商）將從ADI公司的無線技術(shù)中受益匪淺。該技術(shù)不僅支持OEM，還能幫助創(chuàng)造圍繞電池回收的全新行業(yè)和商業(yè)模式?！拔覀儾艅倓傞_始看到無線帶給車輛供應(yīng)鏈的好處?！盡organ解釋說。

圖3. ADI公司的無線技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車

常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的智慧

二十年前，ADI公司首次面向汽車市場推出了精密功率和其他測量解決方案。總裁兼首席執(zhí)行官Vincent Roche并未遺忘過去，數(shù)十年在常規(guī)內(nèi)燃機(jī)車輛領(lǐng)域創(chuàng)建功能的經(jīng)驗(yàn)，對公司成功開發(fā)電動(dòng)汽車電池技術(shù)起著重要作用。Roche表示：“我們將硅解決方案與日益復(fù)雜的數(shù)學(xué)相結(jié)合，以便能夠理解現(xiàn)實(shí)世界，包括電池管理系統(tǒng)，其變化之深刻每隔幾年就會(huì)增加幾個(gè)數(shù)量級?！?/p>

1資料來源：網(wǎng)址：Ritchie， H. Roser， M. Access to Energy， ourworldindata.org， 2020年3月7日訪問。